Мембранна технологія

Визначення і загальна характеристика

МЕМБРА́Н­НА ТЕХНОЛО́ГІЯ — сукупність технологічних процесів і принцип організації та здійсне­н­ня процесу роз­діле­н­ня речовин, основним елементом роз­діле­н­ня якого є мем­брана. Під мем­браною ро­зуміють напів­проникну пере­городку (полімер., неорган., біол., синтет. та ін. походже­н­ня), крізь яку від­бувається масоперенесе­н­ня, спричинене дією різноманіт. рушій. сил (різниця хім. або електрохім. потенціалів по обидва боки мем­брани). Здійсне­н­ня мем­бран. процесів роз­діле­н­ня в багатьох випадках об­умовлене градієнтами тиску (баромем­бран­ні процеси), електр. потенціалу (електромем­бран­ні процеси), концентрації (дифузійні мем­бран­ні процеси) або комбінацією декількох факторів одночасно. Найчастіше за остан­ні роки у багатьох галузях промисловості та побуті за­стосовують баромем­бран­ні процеси, серед яких — мікрофільтрація (роз­діле­н­ня суспензій, емульсій і колоїд. роз­чинів), ультрафільтрація (очище­н­ня вод. роз­чинів від високомолекуляр. речовин, їхнє фракціонува­н­ня), нанофільтрація (роз­діле­н­ня вод. роз­чинів, що містять електроліти й низькомолекулярні речовини орган. походже­н­ня), зворот. осмос (знесоле­н­ня вод та очище­н­ня їх від орган. речовин і колоїдів). До М. т., де рушій. силою процесів роз­діле­н­ня є різниця концентрацій речовин по обидва боки мем­брани, належать: мем­бран­не газороз­діле­н­ня (повітря, техноген­ні гази, отрима­н­ня у пром. мас­штабах водню, азоту, збагаче­н­ня повітря киснем тощо); процеси первапорацій. очище­н­ня води від летких орган. сполук та дегідратація орган. роз­чин­ників (зокрема азеотроп. сумішей); діалізне очище­н­ня роз­чинів високомолекуляр. сполук від низькомолекуляр. електролітів; мем­бран­на екс­тракція з викори­ста­н­ням рідких мем­бран за механізмом пасив. та актив. транс­порту тощо. М. т., в яких рушій. силою та (або) важливим фактором процесу роз­діле­н­ня є різниця т-р по обидва боки мем­брани, — мем­бран­на дис­тиляція, пер­спектива широкого за­стосува­н­ня якої по­­вʼязана з можливістю отрима­н­ня високочистої води з вод практично будь-якого складу та рівня за­брудненості (за винятком вод, що містять леткі та поверхн.-активні речовини), концентрува­н­ня нелетких мінерал. та орган. речовин. Серед електромем­бран. технологій роз­діле­н­ня та очище­н­ня вод. роз­чинів широкого вжитку набули: електродіалізне очище­н­ня та опрісне­н­ня солоних та солонуватих вод, очище­н­ня роз­чинів електролітів; очище­н­ня води від колоїдів та мікроорганізмів шляхом електрофільтрува­н­ня; біполяр. електродіаліз як ефектив. та альтернативний класич. метод синтезу хім. ре­агентів, лікар. препаратів та очище­н­ня й виділе­н­ня продуктів харчува­н­ня. Перші наук. спо­стереже­н­ня за мем­бран. методами роз­діле­н­ня проведено 1748 франц. абатом і фізиком Ж. Нолле, який встановив явище вибірк. проникне­н­ня речовин через здатну частково пропускати пере­городку (мем­­­брану) з бичачого міхура, що отримало назву «осмос». На­ступ. вагомим кроком у роз­витку вче­н­ня мем­бранології стали роботи нім. учених Ф. Рейс­са (1803) і Т. Порре (1816), які досліджували явище електроосмосу. Епохал. віхою у роз­витку ви­вче­н­ня мем­бран. процесів стало від­кри­т­тя нім. фізиком А. Фіком законів дифузії, що й нині є основою опису роз­ділювал. властивостей мем­бран у багатьох мем­бран. процесах. Шотланд. хімік Т. Грехем 1857 від­крив явище діалізу та газо­проникності мем­бран. 1860–87 нім. хіміки-фізіологи М. Траубе і В. Пфеф­фер та нідерланд. фізико-хімік Я.-Г. Вант-Гофф ви­вчали закономірності процесу осмосу, в результаті чого остан­ній сформулював закон ви­значе­н­ня осмотич. тиску роз­чинів: π = CRT, де π — осмотич. тиск; С — молярна концентрація роз­чиненої речовини; R — універс. газова стала; Т — абсолютна т-ра. 1872 Дж. Баранецький виготовив перші плоскі мем­брани. 1889–90 нім. учені В. Нернст і М. Планк дослідили закономірності транс­порту електролітів через напів­проникні мем­брани. 1905 А. Айнштайн роз­винув тео­рію осмотич. тиску, а 1907 П. Гендернс і 1911 Ф.-Ґ. Дон­нан роз­робили теорію мем­бран. потенціалу та мем­бран. рівноваги. Уявле­н­ня про роз­поділ пор за роз­мірами роз­винув Г. Карплус (1933), який по­єд­нав тех. при­йоми ви­значе­н­ня точки бульбашки і вимірюва­н­ня проникності мем­бран за методом Гаґена–Пуазейля. Днем започаткува­н­ня пром. викори­ста­н­ня синтет. мем­бран є дата запатентованого амер. вченими С. Лоебом і С. Соуріраджаном способу отрима­н­ня високо­продуктив. напів­проникної мем­брани, на основі якої у серед. 1960-х рр. уведено в дію першу пром. установку опрісне­н­ня води методом зворот. осмосу. Перші пром. мем­брани були виготовлені з ацетату целюлози, мали анізотропну структуру із продуктивністю значно вищою за ізотропні мем­брани. Щодо іонооб­мін. мем­бран, то їхнє за­стосува­н­ня у процесах опрісне­н­ня води почалося від кін. 1950-х — поч. 60-х рр. За остан­ні роки широкого вжитку набули такі мем­бран­ні процеси, як нанофільтрація, первапорація, мем­бран­на дис­тиляція, гібридні мем­бран­ні процеси, комплексні технології, серед яких значну роль ві­ді­грають М. т. В Україні дослідж. у галузі М. т. почали інтенсивно роз­вивати в 1970–80-і рр. у спів­праці з рос. ученими та виробничниками Мос­кви, Ленін­града (нині С.-Петер­бург), м. Краснодар (РФ) та ін. У низці укр. академ. н.-д. установ (Ін­ститут колоїд. хімії та хімії води, Ін­ститут хімії високомолекуляр. сполук, Ін­ститут заг. та неорган. хімії тощо), галуз. НДІ почали інтенсивно проводити дослідж. з отрима­н­ня мем­бран та ви­вче­н­ня мем­­­бран. процесів. Так, в Ін­ституті колоїд. хімії та хімії води створ. низку від­ділів під керівництвом ві­домих учених С. Духіна, В. Гребенюка, М. Брика, В. Гончарука, які за­ймалися наук. роз­робками теор. та практ. засад баромем­бран. (зворот. осмосу, ультрафільтрації, нанофільтрації), електромем­бран. процесів, отрима­н­ня нових типів полімер. та керам. мем­бран, роз­робле­н­ням мем­бран. та комплекс. процесів і технологій тощо. Знач. внесок у роз­виток М. т. зробили галуз. НДІ, провід­ні ВНЗи Києва, Харкова, Львова, Дні­пропетровська (нині Дні­про) та ін., що разом із під­приємствами хім. та текс­тил. пром-стей налагодили виробництво фільтрувал. полімерів і матеріалів. Знач. пере­вагою мем­бран. процесів над ін. альтернатив. технологіями є те, що вони від­буваються, за­звичай, без енергоєм. фазових пере­ходів речовин, що від­носно опрісне­н­ня 1 м³ мор. води методом зворот. осмосу в порівнян­ні з методом терміч. дис­тиляції дає економію понад 200 МДж енергії. У результаті різної швидкості проходже­н­ня компонентів роз­чину через мем­брану виникає концентрац. поляризація, що об­умовлена накопиче­н­ням у мем­бран. шарі речовини з пониженою проникністю (меншою швидкістю проникне­н­ня). Це спричинює пониже­н­ня рушій. сили мем­бран. процесу, що об­умовлює паді­н­ня питомої продуктивності, зміну селективності та скороче­н­ня терміну екс­плуатації мем­бран. Серед негатив. факторів мем­бран. процесів, повʼяза­­них з концентрац. поляризацією, є можливість осадже­н­ня на мем­брані важкорозчин. солей, геле­утворе­н­ня високомолекуляр. речовин, мікробіол. за­брудне­н­ня мем­бран тощо. Ефектив. методом зменше­н­ня впливу концентрац. поляризації є інтенсивне пере­мішува­н­ня (турбулізація) роз­чину до 3–5 м/с за допомогою спец. при­стосувань та особ­ливостей кон­струкції мем­бран. апаратів, ультра­звуку тощо.

Мем­брани, що за­стосовують у М. т., класифікують за різними ознаками: за походже­н­ням матеріалу — природні (біол.) та синтетичні орган. (рідкі й полімерні) і неорганічні (скляні, вуглец. (графіт.), метал., керам. та металокерам.); за морфологією (будовою їхньої структури), напр., синтет. мем­брани, від­повід­но до цього, поділяють на поруваті та непористі, симетр. та асиметр., композитні, ізотропні та анізотропні; за формою — плоскі, трубчаті, порожнисто-волокон­ні тощо. Форма мем­брани знач. мірою ви­значає будову мем­бран. модуля та його робочі характеристики (площу поверх­ні фільтрації, гідродинам. режими екс­плуатації, продуктивність та селективність, здатність до регенерації та ін.). Мем­брани виготовляють з різних матеріалів: плівко­утворювал. полімерів, скла, керам. матеріалів, дис­перс. металів та оксидів металів тощо. Найпоширеніші упродовж багатьох років є полімерні мем­брани, оскільки їх просто й від­носно дешево виготовити. Проте до мем­бран висувають низку принципово важливих вимог, що часто взаємно заперечують одна одну, зокрема, вони повин­ні мати хорошу селективну здатність, високу питому продуктивність та хім. стійкість в агресив. багатокомпонент. середовищах, мех. стійкість, зберігати не­змін­ними характеристики упродовж тривалого часу екс­плуатації, при цьому мати низьку собівартість. Через непористі мем­брани роз­чин­ні речовини і роз­чин­ник проникають під дією градієнта концентрації, що характерно для дифузій. процесів. Такі мем­брани називають дифузійними. Швидкість дифузії молекул через дифузійну мем­брану прямо пропорційна коефіцієнту дифузії, що, у свою чергу, залежить від роз­міру молекул, їхньої форми тощо. Такі мем­брани, за­звичай, за­стосовують для роз­діле­н­ня газових та рідких систем (мем­бран­не газороз­діле­н­ня та випаровува­н­ня через мем­брану). Для баромем­бран. процесів (ЗО, НФ, УФ, МФ) найчастіше використовують пористі полімерні та керам. мем­брани анізотроп. (асиметр.) типу. За роки наук. дослідж. та пром. за­стосува­н­ня мем­бран науковці та практики, в основному, вже ви­значилися з природою полімерів та типами мем­бран для виріше­н­ня різноманіт. технол. задач. Це, насамперед, целюлозні мем­брани на основі естерів целюлози і їхніх сумішей, поліакрилонітрильні мем­брани, поліамідні, полікарбонатні, полісульфонові, полі­етерсульфонові тощо. Для практ. за­стосува­н­ня мем­бран. технол. процесів нині використовують такі осн. типи мем­бран. апаратів: пло­скокамерні; рулон­ні (спірал.); порожнисто-волокон­ні (капілярні). У пло­скокамер. апаратах роз­діле­н­ня від­бувається листовими мем­бранами, які опираються на поруватий дренаж. матеріал, що виконує опорно-транс­порт­ну функцію. Мем­брани роз­таш. таким чином, що утворюють досить вузький канал, по якому циркулює роз­чин з певною тангенцій. швидкістю і під ви­значеним робочим тиском. Пермеат, що проходить крізь мем­брани по дренаж. матеріалу, від­водиться у колектор. Роз­чин, що не про­йшов через мем­брани, збагачений затриманими речовинами, утворює ретентат (концентрат) і виводить­­ся з апарату. В апаратах такого типу щільність упаковки мем­брани є досить низька порівняно з апаратами ін. типів і становить 60–300 м²/м³. Трубчатий апарат (мем­брана, дренаж. матеріал, трубчатий фільтрув. елемент) складається з певної кількості по­­руватих трубок діаметром 5– 20 мм, на зовн. чи внутр. поверх­нях яких знаходиться селективна мем­брана. Початк. потік (роз­чин) направляють з боку селектив. шару у внутрішньотруб. або між­труб. про­стір. Щільність упаковки апаратів такого типу, як і в пло­скокамер. апаратах, є досить низькою і складає 60–200 м²/м³. У рулон. апаратах (мем­брана, дренаж. матеріал, фіксатор, сепаратор, трубка пермеату) мем­бран. елемент має ви­гляд довгого рукава, який складається з двох мем­бран, що опираються на дренаж. матеріал, разом із сіткою-сепаратором закручується в рулон. Цей рукав загерметизов. шляхом склеюва­н­ня чи ультра­звук. зварюва­н­ня з 3-х боків, а 4-м закріплений до перфорованої трубки, де збирається пермеат. Потік, що подається у мем­бран. елемент, рухається в осьовому (тангенцій.) напрямі по між­мем­бран. ка­налах, що утворені сітками-сепараторами. Апарати такого типу характеризуються досить високою щільністю упаковки мем­бран, що складає 300–800 м²/м³. В апаратах із порожнисто-волокон. мем­бранами робочим модулем є циліндрич. корпус ви­значених параметрів, в якому знаходиться певна кількість загерметизов. волокон із зовн. діаметром 50–300 мкм і товщиною стінки 15–50 мкм. Робочий роз­чин подають як на зовн. частину волокна, так і у внутрішню (це залежить від особливостей процесу та від того, яка частина волокна має селектив. шар). Завдяки високій щільності упаковки мем­бран (до 20 000 м²/м³) апарати такого типу за­стосовують як в опріснювал. установках високої продуктивності, так і при процесах мем­бран. газороз­діле­н­ня. Для зворотно-осмотич. процесів найчастіше використовують рулон­ні та капілярні апарати, для ультрафільтрації та мікрофільтрації — пло­скокамерні та трубчаті; крім того, для мікрофільтрації широко за­стосовують також патрон­ні (картриджні) фільтри як мем­бран., так і немем­бран. типу. Для мем­бран. газороз­діле­н­ня використовують рулон­ні та порожнисто-волокон­ні модулі, для діалізу — діалізатори з мем­бранами пластинчатого і капіляр. типу, кожен з них має свої певні пере­ваги та недоліки. Однак, най­ефективнішими та без­печними нині є капілярні діалізатори, мем­брана яких виконана із синтет. та біо­логічно інерт. матеріалів з високим рівнем біо­сумісності — полісульфону, полі­акрилотітрилу, целюлози та деяких кополімерів. Роз­виток М. т. у світі й в Україні спрямований, насамперед, на отрима­н­ня мем­бран і створе­н­ня на їхній основі технологій із функціонал. властивостями (сенсор., імуносенсор., матрич., рН- та магніточутливими, каталітич., біо­каталітич., гібрид., біо­цид., зарядженими тощо). Значе­н­ня М. т. зро­стає, оскільки нині вони є одним з небагатьох напрямів, де одночасно можна вирішити пита­н­ня роз­витку сучас. промисловості та екол. без­пеки. Нині в Україні пред­ставлені більшість провід. виробників мем­бран. обладна­н­ня, модулів насосів, трубо­проводів, вимірюв. техніки, контролерів тощо (модулі «Toray», «DOW Filmtec», «GEOsmonics», «Honey­­well», «Hydranautics», «Grundfos», «X-Flow» та ін.). М. т. та комплекс­ні системи на їхній основі нині широко за­стосовують під час виріше­н­ня питань очище­н­ня води: побут. та пром. під­готовки води, особливо питної; пере­робле­н­ня та очище­н­ня пром. стіч. вод із вилуче­н­ням і поверне­н­ням у пром. процеси як технол. вод, так і цін­них елементів, що містилися в них; біо­технології та медицини (отрима­н­ня чистої води, концентрува­н­ня біо­логічно актив. речовин та лікар. препаратів, гемофільтрація та генна інженерія); харчової промисловості (отрима­н­ня води для виробництва рідких харч. продуктів, бутильов. води, різні аспекти викори­ста­н­ня М. т. у молоч. промисловості); хім. промисловості (роз­діле­н­ня, очище­н­ня та концентрува­н­ня роз­чинів і роз­чин. речовин); роз­діле­н­ня газових сумішей та отрима­н­ня пром. газів. У деяких ВНЗах Києва, Дні­пра, Харкова, Одеси від­повід­но до навч. планів під­готовки спеціалістів певного профілю читають курси, що дотичні до М. т., у Нац. університеті «Києво-Могилян. академія» є про­грама з під­готовки магістрів за спеціальністю «Мем­бран­ні та сорбційні процеси і технології».

Літ.: Гребенюк В. Д. Электродиализ. К., 1976; Дытнерский Ю. И. Обратный осмос и ультрафильтрация. Москва, 1978; Його ж. Баромем­бран­ные процес­­сы. Москва, 1986; Брок Т. Мем­бран­ная фильтрация / Пер. с англ. Москва, 1987; Тимашев С. Ф. Физикохимия мем­бран­­ных процес­сов. Москва, 1988; Брык М. Т., Цапюк Е. А. Ультрафильтрация. К., 1989; Шапошник В. А. Кинетика электро­­диа­лиза. Воронеж, 1989; Духин С. С., Си­­до­­рова М. П., Ярощук А. Э. Электрохимия мем­бран и обратный осмос. Ленин­град, 1991; Дытнерский Ю. И., Брыков В. П., Ка­граманов Г. Г. Мем­бран­ное разделение газов. Москва, 1991; Мулдер М. Введение в мем­бран­ную технологию / Пер. с англ. Москва, 1999; Брик М. Енци­­клопедія мем­бран: У 2 т. К., 2005–06.

А. Ф. Бурбан

Завантажити статтю